临近空间高超声速目标飞行动态特性STK仿真

“高超声速”（Hypersonic）一词由我国著名科学家钱学森于1964年首次提出，实际上高超声速飞行器技术的发展起步于20世纪50年代的超声速燃烧及超声速燃烧冲压发动机（简称超燃冲压发动机）的研究，至今已经历了近70年的

历史。2013年5月美国X−51A第四次飞行试验，实现了以碳氢燃料超燃冲压发

动机为动力的临近空间飞行器飞行速度和飞行距离的历史性突破，以吸气式高超声速飞行器为代表的临近空间和空天飞行器技术再次成为航空航天领域的热点，其技术难度极高，机遇和挑战并存。高超声速飞行器技术的发展最终是要实现高超声速飞行器的飞行和应用。

高超声速飞行器是指最大飞行速度大于等于5倍声速、在大气层内或跨大气层长时间机动飞行的飞行器，其主要应用形式包括高超声速巡航导弹、高超声速滑翔飞行器、高超声速飞行平台（包括有人/无人高超声速飞机等）以及空天飞行器等具有战略威慑作用的武器装备和具有广泛用途的航天空间飞行器。按照飞

行器主级有/无动力分类，可分为高超声速有动力飞行器（例如X−51A，巡航级为主级，动力装置采用超燃冲压发动机）和高超声速无动力飞行器（例如HTV−

2，滑翔体为主级，无动力滑翔飞行）等。本文以HTV-2高超声速无动力滑翔导弹为研究对象，重点研究导弹在滑翔段和再入段的飞行过程，并利用卫星工具软件STK(Satellite Tool Kit，STK)的三维可视化仿真技术，将纯数字形式的弹道转换为立体的可视化弹道，以动画的形式呈现出来，本文的研究方向是将高超声速导弹弹道进行三维可视化。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 高超声速飞行器发展状况

美国航空宇航局(NASA) 已经研究高超声速飞行器将近70 年. 2004年 3 月, NASA 成功试飞了X-43 验证机, 标志着高超声速飞行器研究领域取得阶段性成果。一般认为, 大于 5 倍声速的速度称为高超声速。美国自20 世纪50 年代开始研究吸气式高超声速技术。到2004 年, 以超然冲压发动机为动力的X-43A 已经能以7 马赫到10 马赫的速度飞行. 它是吸气式高超声速推进器走向实际应用中极为重要的一步, 从20 世纪60 年代开始，以火箭为动力的高超声速技术已广泛应用于各类导弹和空间飞行器，目前世界各国正在积极发展另一类以吸气式发动机为推进系统的高超声速飞行器技术，它的结构重量更轻、航程更远、性能更优越。

2004 年以超然冲压发动机为动力的X-43A 的超声速飞行迎来了吸气式高超声速飞行的时代。现在, 世界各国都在竞相研制高超声速飞行器。美国在高超声速飞行器领域居领先地位。2010 年 4 月, 美国研制的人类首架太空战斗机X-37B 成功发射升空。紧接着, 2010 年5 月美国空军”乘波器”X-51A 型超音速巡航导弹试射成功，这意味着美军已经初步具备”全球快速打击”能力。在美国大力构建全球即时打击网的同时, 俄罗斯力争采用新设计赶超美国，长期以来俄罗斯以及前苏联都在高超声速飞行技术领域开展了大量研究。同美国一样,俄罗斯高超音速飞行器也处在试验阶段，俄罗斯公开展示的有”针”式和”射手”两种型号高超音速飞行器。此外, 俄罗斯还有鹰计划和彩虹计划。除了美国、

俄罗斯之外, 澳大利亚、法国、德国、日本、印度等国长期以来也一直致力于高超声速飞行技术的研究工作, 并取得了一些阶段性的成果。

中国也把高超声速飞行器作为未来航空技术发展的主要方向。最近公开材料显示, 中国已建设了亚洲规模最大、功能最完备的风洞群, 开始了高超声速的气动试验研究。2010 年, 近空间飞行器的关键基础科学问题被列为重大研究研究计划，高超声速飞行器及其控制理论的研究在国内获得了广泛的关注。

1.2.2 弹道可视化仿真技术

可视化仿真技术最早起源于军事仿真领域，随着计算机技术、计算机图形学、图形生成等技术的发展，可视化仿真技术已经在许多领域得到了广泛的应用，例如军事训练、武器系统研制和验证、城市规划、交互式娱乐仿真、教育训练、大型工程漫游、心理学治疗等等，可视化仿真技术已经成为当前研究的热点，并得到了广泛应用。

可视化仿真的基础是系统仿真，单纯的系统仿真擅长于实现系统仿真过程和辅助决策，对仿真过程和结果的直观性和逼真性表示方面却存在不足，可视化仿真恰好弥补了系统仿真的这一劣势，能大大提高仿真的逼真性。可视化仿真技术特别适用于军事领域的作战训练、武器研制和评估等方面，利用可视化仿真技术，完整再现导弹飞行的全过程，对于导弹飞行过程研究、导弹战术的演练和军事人员训练具有重要的价值。

和一些发达国家相比，国内的可视化仿真技术还有一定的差距，国内弹道导弹可视化仿真的研究起步较晚，随着高精尖武器系统的研制和发展，军用仿真技术在国防科技领域得到越来越广泛的应用，但是用于战略导弹部队作战训练的弹道导弹分析仿真系统也正处于起步阶段，尚未进入大规模实用阶段。

目前弹道导弹可视化仿真中所采用的仿真平台主要有Vega、STK、OpenGL 等，本文基于STK仿真软件对高超声速飞行器弹道进行三维可视化仿真。STK 具有轨道预报算法，具备准确预报和计算轨道目标运行轨迹的能力，且具有三维可视化模块，能逼真地显示图形，釆用进行弹道导弹可视化仿真，方便地分析复杂情况下航空和航天任务，能表现导弹飞行的全过程以及飞行过程中的飞行姿态等细节。

1.3 课题研究的目的和意义

本论文以HTV-2高超声速无动力滑翔导弹为参考，以导弹在临近空间飞行过程中三自由度建模为基础，研究和分析导弹在飞行中的运动特征，根据导弹飞行原理和控制原理，模拟导弹在滑翔段和再入段飞行的全过程，并完成了导弹飞行过程的可视化仿真，建立了一个基于的可视化弹道导弹可视化仿真系统。

本文目的在于改变传统的弹道数据的呈现方式，课题研究导弹在滑翔段和再入段的飞行过程，每一段都有与之对应的数学模型，通过求解各段的微分方程组，从而得到最终的弹道数据，但是纯数字形式的弹道数据的呈现方式存有很多弊端，导弹在飞行过程在出现的问题不能及时直观的被发现，并且纯数字形式的弹道数据不够简洁形象。所以，进行弹道的可视化仿真具有重要意义。

其次，研究高超声速导弹具有重要意义，高超声速飞行器兼有航天器和航空器的优点，融合了人类诸多航空航天领域的新技术，是未来飞行器的重要发展方